原创 基于SPCE061A的点滴速度监控装置

通过凌阳16位单片机SPCE<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />061A实现一个液体点滴速度控制系统，其中包括键盘设置、动态显示、点滴速度检测、储液瓶液面检测以及电机控制、异常情况报警等功能，并且该系统作为一个子系统能够和主系统进行通讯。

从站部分

1.系统功能

该系统能够完成以下功能，示意图如图1所示。

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图1

(1)基本功能

①在滴斗处检测点滴速度，并制作一个数显装置，能动态显示点滴速度（滴/分）。

②通过改变h2控制点滴速度，如图1所示；点滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为10～200(滴/分)，控制误差范围为设定值±10%±1滴。

③调整时间≤3分钟（从改变设定值起到点滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。

④当h1降到警戒值（2～3cm）时，能发出报警信号。

(2)扩展功能

①能输出从站号、点滴速度和报警信号；从站号和点滴速度可以任意设定。

②接收主站设定的点滴速度信息并显示。

2.方案设计与论证

(1)点滴速度检测可以选择红外发射检测的原理来实现，我们可以在滴斗壁的一端安装一个红外发射传感器，另一端来接收，当有水滴滴下时，传感器会产生一个跳变信号，通过该信号来计算点滴滴下的数目，以此计算出点滴的速度（滴/分），这里用到的传感器是一种光电开关传感器俗名“15mm”，不需要外接任何电路，三根连线分别是：5V、GND和OUT，使用非常方便。当电源和地连接好后，可以将输出直接接一个发光二极管，用手在发射和接收之间穿过，就可以看到二极管会亮灭一次。

<?xml:namespace prefix = w ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:word" />(2)储液检测电路可以通过两根单芯电缆线插入储液瓶口内2～3cm处，一端连接5V的电源，另一端接I/O口，并连接一个下拉电阻到地，当液面高于瓶内导体时I/O口为高电平，否则为低电平，参见图2。

图2

需要注意的是，深入水中的两根线一定要注意绝缘好，不能让水沿着线流入电源和I/O口。

(3)电机控制电路该电路是用来改变h2高度，以此控制点滴的速度，这里我们选用的是永磁异步四相8拍的步进电机，型号为42BYG228，根据电机的正转和反转来控制储液瓶的高度。

(4)键盘设置点滴速度按键功能说明：

①0～9为数字键，该数字键表示站号或者速度，a～f只表示10到15号从站；

②Speed_setup/3键：该键有两个功能，一个是设置点滴速度的功能键，另一个是数字键3；③F/ENTER键：该键有两个功能，一个是第十六号从站号F，另一个是确认键；

③E/Cancel键：该键有两个功能，一个是第十五号从站号E，另一个是删除当前所设置的数字。举例：设置第15号从站的速度为120滴/分（说明，从站号从第一个到第十六分别为0～F）。

步骤：①先按下Speed_setup/3键，表示现在开始设置站号和速度；

②再输入E/Cancel键，表示输入第十五号从站号；

③依次输入1、2、0，即输入所设置的速度；

④按F/ENTER表示确认；

⑤设置完毕。

(5)数码管显示电路数码管显示用到的是共阴极的4位7段显示。

(6)通讯电路在这里主站和从站之间的通讯采用RS－232通讯的方式。

(7)声光报警当发生异常现象时，如：当储液瓶内液体降至警戒值2～3cm时，发光二极管会点亮，同时会有语音提示：“请注意点滴即将结束”，并发送报警信息给主机。

3.系统硬件电路设计

(1)电路方框图及说明

图3是整个系统的结构图，共包括7个部分的模块，从图中也可以了解到各个模块对I/O口的占用情况。

图3

(2)各部分电路设计

图4

点滴速度检测（图4）利用IOB3来检测点滴数，硬件只需要将IOB3口连接到检测滴速的光电开关的OUT端即可，这样每当有水滴滴下时，传感器会输出一个高低电平，单片机的IOB3接收到会产生一个中断信号。

储液检测电路（图5）

图5

利用IOB2判断储液瓶是否快要空，将两根线分别插入瓶中，当液面高于线时，两根线会导通，则IOB2输入的是高电平，反之如果液面低于线时，两根线会断开，这时IOB2读到的是低电平，而当IOB2的状态由高电平变为低电平时，会产生中断，此时会启动报警信息。

电机控制电路（图6）

图6

电机控制用到的电机是四相8拍的永磁步进电机，其中IOB6、IOB8、IOB9、IOB11分别连接四相：A、B、C和D，通过I/O模拟电机转动的时序来控制电机。键盘设置点滴速度（图7）这里键盘的扫描是通过A口的低8位来完成的。

图7

其中，A0～A3为行输入，而A4～A7则为列输出，由于SPCE061A内部自带有100～200kΩ的上拉和下拉电阻，并在不同电压时阻值不同，所以不需要再外接上拉或下拉电阻。

数码管显示电路（图8）显示电路中：B口的高4位作为位选信号，驱动部分用到的三极管是NPN型的8050，电阻为470Ω；A口的高8位作为数码管的段码控制，数码管采用的是共阴极的；

图8

图9是显示的示意图，从左到右依次表示，其中第一位显示的是站号，第二到第四位显示的是速度的值。

图9

通讯电路（图1 0）

图10

声光报警电路（图11）声音报警部分，直接采用SPCE061A的DAC输出经过功放然后外接喇叭播放出来：即语音信号由DAC引脚21或22经语音集成放大器SPYOO30放大，然后输出，SPY0030是凌阳的芯片，相当于LM386，但是比386音质好，它可以工作在2.4～6.0V范围内，最大输出功率可达700mW（386必须工作在4V以上，而且功率只有100mW）。

图11

光报警是通过点亮二极管（图12）来实现的：当点滴即将结束时，IOB0会输出

图12

一个高电平点亮发光二极管，其中限流电阻采用330Ω。

软件设计

1.I/O的分配

I/OA口的分配IOA0～IOA7:键盘输入；

IOA8～IOA15:数码管的段码的显示；

剩余端口：无。

I/OB口的分配IOB口分配情况如下：

IOB0为光报警二极管；

IOB2、IOB3为外部中断；

IOB7、OB10为通讯时用到的RX和TX；

IOB6、IOB8、IOB9、IOB11为电机控制；

IOB12～IOB15为数码管的位选；

剩余端口为IOB1、IOB4、IOB5。

2.程序设计说明及流程

（1）主程序结构整个程序考虑到需要处理的任务较多，因此采用模块化编程，具体的结构可以参见主程序流程（图13）

图13

图14为中断子程序流程图。

图14

（2）各部分实现方法

键盘部分键盘部分采用128Hz的中断实现扫描，键值处理部分主要是对站号及其速度的设置，当设置完毕并按下确认键后，便会将所设置的站号及其速度送到设置的Buffer中，在10s检测的模块中会将该设置的值和当前点滴的速度进行对比，如果不一致则会控制电机的转动来调节直到相同，这里误差设置为10，即当误差在10滴内认为是相同的，电机停止转动。

数码管的显示部分数码管的显示部分采用的是动态扫描的方法，程序每执行一次显示一位，当程序执行4次后又会从数码管的第一位开始显示，依次循环，所以我们看到的是四位同时显示。储液瓶液面高度的检测储液瓶内液面高度的检测采用的是外部中断2即EXT1实现的，上电后IOB2为高电平，当液面到达距离底部2~3mm时电路断开，IOB2变为低电平，触发中断产生一个报警信号。

10s检测模块10s检测模块中，主要是将定时10s后计算得到的值送显示得Buffr，同时和设置的Buffer进行对比，判断设置启动电机的标志。

点滴速度的检测点滴速度的检测在前面已经说过了，采用的是一种光电开关传感器，当检测到有液滴滴下时会产生一个从高到低电平的跳变，触发外部中断2即EXT2，在EXT2中每进一次会将点滴数加一，用4Hz中断定时10s即进入中断40次，读一次点滴数，然后计算出点滴的速度（滴/分）。电机的控制部分电机的控制部分很简单，当判断到预设值和当前速度不同时，电机根据所给的标志进行正转或反转，直到两个速度相同时停止转动。

主站部分

1.主站功能分析

(1)定点检测在该方式下，可以固定检测来自某一从站的从站号、从站点滴速度。

(2)巡回检测巡回检测方式下，可以实现循环检测所设定的从站号及对应的点滴速度。

(3)设定通过设定键设置需要查询的从站数量、从站号和各从站的点滴速度。

(4)报警显示及报警解除收到从站报警讯号后，进行声光报警并显示相应的从站号，按取消键可解除报警。

2.方案设计

(1)人机界面设计键盘布局如图15所示。

图15

其中，说明：4*4键盘中，数字键用于设定从站号、点滴速度、从站数量值，设定时采用分屏显示。按下设定键，便可以开始设置，用一个数码管显示1 6个从站号（显示范围：0～F），三个数码管显示点滴速度（显示范围：20～~150，十进制），设置完成后按确认键；按定点检测键，开始对设定的从站进行定点检测；按巡回检测键，将循环检测设定的各个从站的点滴速度，同时显示从站号；取消键用于取消输入及解除报警；统计键用于设定需巡回检测的从站数量。

（2）通讯协议在这里主站和从站之间的通讯采用RS－232通讯的方式。061采用UART实现主从机通信。需要传送的数据有从站号、点滴速度和报警标志。通讯协议采用如下方式：

主从标志用于判断是主站发送的信息还是从站发送的信息，为11时表示主站，为00时表示从站。命令号用于区分检测还是设定，为11时表示检测，为00时表示设定；报警标志用于从站传送报警信号，默认值为00，表示未报警，ff表示报警。

（3）光报警及解除在检测方式下，主站可以检测到任意一从站的报警信号，并作光报警提醒工作人员，报警时主站将显示报警从站相关信息，按取消键将解除报警。

3.电路方框图（图16）

图16

4.软件设计

(1)主程序结构根据主站功能，可以将程序分为以下四个主要模块：键扫描和键处理、数码管显示数据发送接收和声光报警。图17是大致程序流程图。

图17

（2）各部分实现方法

键盘部分键盘程序调用4*4键盘扫描子程序，主程序循环一次，对键盘扫描一次。键盘扫描子程序的键值存于寄存器R1中，在键值分析处理程序中，对输入键进行移位处理、置功能键标志、从站号输入的处理。图18为键盘中断子程序的流程图。

图18

数据发送根据系统功能要求，需要有三种发送方式：在设置状态下的单个逐步发送、定点检测时对当前设置从站的单个发送、巡回检测时的连续发送。设置状态下的单个逐步发送时，设置完一从站后，按确认键将发送设置的数据，接着可进入下一从站的设置。在巡回检测时，主程序循环一次，将给一个从站发送查询信息，直至发送完所有要查询的从站。定点检测时，只发送当前设置的从站查询信息，通知该从站发送它的从站号、当前点滴速度。数据接收在定点检测或巡回检测时将用查询方式接收从站信息，主程序循环一次，将接收一个从站的数据，数据存相应Buffer。显示部分显示的位选及写送段码在FIQ中断中实现，FIQ的定时时钟源为TimerA的4kHz时钟。在巡回检测时的各从站的信息显示采用5s定时，即5秒显示一个从站信息。